美国工程师创造柔性轻质材料 能随温度改变性质形状前沿科技

2019-03-27 13:47:25 阅读(285)
高智导读:3月26日,记者了解到,美国罗格斯大学—新不伦瑞克工程师创造了一种柔性轻质材料,经4D打印后的材料可用于飞机和无人机的机翼、柔软机器人、微型植入式生物医疗装置等,能更好地实现减震和变形。相关成果发表在最近一期《材料视界》杂志中。

3月26日,记者了解到,美国罗格斯大学—新不伦瑞克工程师创造了一种柔性轻质材料,经4D打印后的材料可用于飞机和无人机的机翼、柔软机器人、微型植入式生物医疗装置等,能更好地实现减震和变形。相关成果发表在最近一期《材料视界》杂志中。

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3D打印也被称为增材制造,可通过逐层打印的方式,将预先构建的数字蓝图转变为物体。

基于这项技术的4D打印有一个很大的不同之处,它使用特殊材料和复杂设计来打印物体,这些物体在环境条件如温度变化下,会随之改变形状。

4D 打印是什么?并不是“第四维度”,按照 Skylar Tibbits 的概念来解释,就是“自我组装”,即材料自动变成为预设的模型。

他早前与 Stratasys 和 Autodesk 一起合作,建立“自我组装实验室”并且尝试让物料“自动成形”——将混合物料制成的绳子放到水中,绳子会按照预先设计好的形状变形。如下面的视频,绳子在放入水中之后自己变成的“MIT”(麻省理工学院缩写)的字样。

Skylar Tibbits 认为,4D 打印让快速建模有了根本性的转变。与 3D 打印的预先建模然后使用物料成形并不一样,4D 打印直接将设计内置到物料当中,简化了从“设计理念”到“实物”的创物过程。让物体如机器般“自动”创造,不需要连接任何复杂的机电设备。目前,4D 打印的复合材料由科技公司 Connex  提供,材料内嵌入了改变形状的能力。

而为了充分应用这一新技术,Autodesk 的研发团队还设计了新软件 Cyborg,可以用于自我组装和可编程的模拟材料,实现设计的优化和材料的折叠。传统而言,造物过程一般是,先模拟后制造,或者一边建物一边调整模拟效果。而通过硬件和软件的紧密结合,Skylar Tibbits 希望通过 4D 打印颠覆传统的造物方式。

工程师们创造的这种新“超材料”,经过精心设计,具有自然界中找不到的特性,它们不同寻常甚至违反直觉。以前,超材料的性质和形状一旦制造出来就不可逆转,但此次用热量来调整特性的超材料,能在被击打时保持刚性,或像海绵一样变软以吸收震动。

在室温73华氏度(约22.8℃)和194华氏度(90℃)之间的温度区间,刚性调节可以超过100倍,从而很好地控制减震。材料可重新成形,以用于各种目的。它们暂时变形,转变为任何形状,然后在加热时,根据需要回复其原始形状。

这种神奇的材料,可用于提高飞机或无人机机翼性能,还可用于空间发射的坍塌轻质结构,甚至更大结构的太空板的重建。由这种材料制成的软机器人像章鱼一样柔韧,可根据环境和当前任务,调整灵活性或刚度。而将其插入微小装置植入人体进行诊断或治疗,可以让介入装置暂时变得柔软和灵活,进入人体进行微创手术并减少疼痛。

据了解,智能材料结构又称机敏结构,在外界环境刺激下,如电磁场、温度场、湿度、光、pH值等,智能材料结构可将传感、控制和驱动三种功能集于一身,能够完成相应的反应,智能材料结构具有模仿生物体的自增值性、自修复性、自诊断性、自学习型和环境适应性。智能材料分类方式繁多,根据功能及组成成分的不同,可大体分为:电活性聚合物,形状记忆材料,压电材料,电磁流变体,磁致伸缩材料等。智能材料结构在众多领域有着重要应用,如航空航天飞行器、智能机器人、生物医疗器械、能量回收、结构健康监测、减震降噪等领域。然而,由于智能材料制造工艺的复杂性,传统智能材料制造方法只能制造简单形状的智能材料,难以制造复杂形状的智能材料结构,智能材料的传统制备方法严重限制了智能材料结构的发展与应用。

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4D打印技术及其在智能材料结构中的应用研 究尚处于起步阶段。但是,其研究和发展应用将对传统机械结构设计与制造带来深远的影响。这一发展趋势体现在以下方面。

(1)4D打印智能材料,将改变过去“机械传动+电机驱动”的模式。目前的机械结构系统主要是机械传动与驱动的传递方式,未来走向功能材料的原位驱动模式,不再受机械结构体运动的自由度约束,可以实现连续自由度和刚度可控功能,同时自身重量也会大幅度降低。

(2)4D打印技术制造驱动与传感一体化的智能材料结构,实现智能材料的驱动与传感性能融 合。EAP材料具有良好的驱动性能和传感性能,即在电场作用下可以发生形变,而且随着其变形可以输出电压电流信号。本课题组将EAP材料的驱动性能与传感性能结合,利用4D打印技术制造驱动与传感一体化的微创手术柔性操作臂,操作臂既可以通过电场驱动智能材料变形实现操作臂弯曲,同时又可以在弯曲变形过程中通过智能材料的传感信号控制操作臂精确适当变形而不伤害 到人体组织,解决了传统微创手术器械由于缺乏传感功能而在变形过程中对人体造成损伤的问题。

(3)研究发展多种适用于4D打印技术的智能材料,对不同外界环境激励产生响应,响应变形的形式更多样化。目前4D打印智能材料的激励方式和变形形式比较局限,SkylarTibbits等目前正在研究开发可以对振动和声波产生响应的智能材料4D打印技术,随着4D打印智能材料的多样化,4D打印技术的应用将更加广泛。

(来源:贤集网)

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